一种利用超级电容储能系统实现直驱风电机组高电压穿越的新方案

蒋永梅，张 谦，金武杰，金晨星，徐 宁，叶自强

（国网浙江省电力有限公司舟山供电公司，浙江 舟山 316021）

0 引言

风力发电规模逐年扩大，风电机组安全稳定运行已经受到广泛关注[1-2]。并网准则要求并网型风电机组具有低电压穿越能力，但近些年发生的大规模事故多数还伴有HVRT（高电压穿越）的情况。

目前针对机组HVRT的研究已经得到国内外学者的广泛关注。文献[3-4]分析了双馈风电机组的HVRT过程，采用Crowbar+DC Chopper组件可以有效地实现HVRT；文献[5]采用Crowbar电路实现直驱风电机组的HVRT。这两种方法不仅需要加装硬件，而且主要是把故障期间的有功功率消耗掉，降低了发电效率。文献[6]运用PSCAD软件平台仿真分析直驱风电机组在电网跌落和骤升下的暂态特性，但是并未给出详细的控制策略。SCES（超级电容储能系统）具备快速充放电、不易受到环境影响、能量密度大等优点[7-10]，已经广泛应用于分布式发电、能量回收等系统。文献[11]采用SCES与蓄电池储能系统相配合，可以实现永磁同步发电机的低电压穿越，具有良好的控制性能。文献[12]针对鼠笼型全功率风电变流器机组，提出一种利用超级电容器储能装置实现低电压穿越的方案。文献[13]提出一种基于化学电池和超级电容器组成的混合储能方案，实现永磁风电机组的低电压穿越，并分析其控制策略。文献[14]提出将SCES应用于永磁同步发电机，同时给出了全功率型变流器机组在低电压穿越过程中的控制算法。

综上所述，在传统风电机组HVRT方法中，均通过增加硬件电路来消耗故障穿越期间多余能量，这不仅会降低发电机效率，也将大大增加发电机发热，造成一定的安全隐患。采用储能系统例如SCES，能够大大提高发电机的能量利用效率。

1 基于SCES的直驱风电机组变流器拓扑结构

基于SCES的直驱风电机组变流器拓扑结构如图1所示。

图1 基于SCES的直驱风电机组变流器拓扑结构

该结构包括机侧变流器、网侧变流器以及SCES。其中，SCES由超级电容器组和双向Buck/Boost变换器组成。为论述方便，采用超级电容与等效串联电阻的串联模型来模拟超级电容器组[15]。

当发生HVRT时，网侧变流器须尽快向电网提供无功功率以帮助尽快恢复并网点电压。同时，由于网侧变流器最大允许工作电流的限制，使得有功功率大幅度降低。如果不立即采取措施消耗多余有功，将导致直流母线电压骤升，甚至影响到风电机组正常运行。在母线上增加超级电容后，利用其消耗掉HVRT故障期间多余的有功功率，保障了直流母线电压的稳定[16-17]。

2 含SCES的风力发电系统控制策略

2.1 网侧变流器控制策略

风电机组正常工作时，网侧变流器采用双闭环控制，可实现发电机单位功率因数运行以及直流母线电压稳定。电压外环跟踪负载功率变化，也间接决定了直流母线电压稳定。因此，利用电流内环对交流侧无功功率的调节功能，能够实现网侧逆变器按照单位功率因数工作的目标。变流器矢量等效电路如图2所示。

图2 变流器矢量等效电路

为便于分析，将全功率变流器在同步旋转坐标系dq轴进行等效分析。根据图2可得出全功率变流器的电压、功率方程为：

式中：Ug为网侧电压；Rg为网侧滤波电抗器的等效电阻；Qg为网侧无功功率；t为时间；Uc为超级电容器端电压。

忽略Rc及Lc，利用电网电压定向矢量的控制策略，由式（1）可得：

式中：Ig_d，Ig_q分别为Ig的dq轴分量。

由式（2）可知，对网侧电流d轴的分量Ig_d和q轴分量的Ig_q分别进行控制,可实现直驱风电机组网侧变流器功率解耦控制。

网侧变流器控制策略如图3所示，实现了直流母线电压控制和功率因数控制。

图3 网侧变流器控制策略

2.2 SCES控制策略

在风电机组HVRT过程中，网侧变流器工作在逆变器模式，按照要求向电网注入一定量的无功功率，并且尽可能多地向电网发出有功功率。能够输出有功功率的大小会受到变流器最大允许电流Imax的制约。

SCES控制策略如图4所示，当检测到电网发生高电压故障时，SCES投入工作，采用带功率前馈的双闭环控制器：电压外环控制直流母线电压使其稳定在额定值，电流内环使得能够对电流指令进行快速跟踪，这样利用机侧变流器和网侧变流器的功率差值进行功率前馈控制，能够大大提高系统的响应速度。

图4 SCES控制策略

SCES吸收的功率

前馈电流指令

在HVRT过程中SCES控制策略不变，当超级电容器检测到电压不满足要求时，SCES退出运行。

3 仿真验证

基于MATLAB/Simulink搭建了直驱式永磁同步风力发电系统的仿真模型，直驱风电机组额定功率1.5 MW，并网电压690 V，经过升压变压器与35 kV电网相连。风电机组和电网参数如表1所示。

表1 风电机组仿真参数

现假定电网电压在1 s时升高到1.3UN（UN为额定电压），1 s后电网电压恢复到额定电压，所得结果如图5—8所示。

图5为HVRT过程中网侧变流器给定的d轴电流和q轴电流。在HVRT开始阶段有功电流大约为500 A。无功电流共分3个阶段：第一阶段从t=1.0 s至t=1.1 s，无功电流从3 000 A逐渐升高达到4 000 A，这是无功增加的过程；第二阶段从t=1.1 s至t=2.0 s，无功电流保持在4 000 A；第三阶段从t=2.0 s至t=3.0 s，无功功率减少至3 000 A。此后，SCES切除工作，有功、无功功率恢复正常。

图5 网侧变流器给定电流

图6为HVRT过程中并网点电压。从图6可以看出，在t=1.0 s时，三相电压骤升至1.3UN，说明此时风电机组发生了高电压故障。并网点的电压经过1.0 s均恢复至额定值。t=2.0 s以后，直驱风电机组正常运行。

图6 并网点电压

图7为直流母线电压，额定直流母线电压Udc，N为1 100 V。在t=1.0 s高电压故障时，直流母线电压骤升至1.05Udc，N，约为 1 155 V，随后逐渐减小，经过1.0 s后逐步恢复至Udc,N。相比于传统方式在直流母线增加卸荷装置，采用超级电容器卸荷具有更快的响应性，直流母线电压波动性更小。

图7 直流母线电压

图8为HVRT过程中网侧变流器输出的有功功率和无功功率，t=1.0 s前系统工作在正常状态，功率因数为1。高电压故障后，系统输出有功功率约为0.9 MW，网侧变流器快速响应电压骤升情况，向系统输送一定的感性无功，降低并网点电压使其恢复至额定状态，至t=2.0 s高电压故障结束，风电机组重新回到正常运行状态。

4 结论

针对直驱风电机组，采用SCES实现了风电系统的HVRT功能，得出结论如下：

（1）利用SCES消耗风力发电机和电网间的功率差，可实现直驱风电机组HVRT运行。

图8 电网侧有功功率与无功功率

（2）分析风电机组高电压故障过程中变流器的输出能力，提出了风电机组网侧变流器及SCES协调运行的控制方法，可帮助电网电压快速恢复，通过仿真验证了所提方法的准确性。

（3）该方法为解决风电机组HVRT问题提供了新的思路，相比于传统方法，SCES可在复杂环境下工作，同时可快速恢复有功，应用前景广阔。

（4）当电网电压骤升时，双馈风电机组可能会出现转子侧过电流和直流母线侧过电压，SCES只能降低直流侧过电压，不能有效地限制转子侧过电流，因此文中提出的解决方案不适用于双馈风电机组。